用于DNA存储的图像编解码方法、系统、设备及可读存储介质

本发明属于生物与信息，具体涉及一种用于dna存储的图像编解码方法、系统、设备及可读存储介质。

背景技术：

1、面对数据的爆炸式增长，现有存储介质远远无法满足大数据存储的需求，而dna具有存储密度高、存储时间长、占地面积小、维护成本低的优点。dna存储有望突破大数据存储的瓶颈，是bt与it技术融合的典范。现有的dna存储数据方法通常包括下述步骤：

2、1、编码：将需要存储的数据转为二进制序列，再通过设计好的编码方式编码为碱基序列；

3、2、合成：按照设计好的碱基序列，合成dna；

4、3、存储：将合成的dna分子进行存储，一般分为体内存储和体外存储两种；

5、4、测序：取出dna，测序得到碱基序列；

6、5、解码：对碱基序列进行纠错，并按照设定的解码方式将碱基序列解码，还原为原始数据。

7、现有的一种技术提出的编码方式，可以满足部分dna序列上的约束条件，同时使用冗余方式来纠正一定数量的错误，但是没有使用其他方法来减少因为冗余而增加的dna数量，导致在存储时所需合成的dna数量过多；还有的技术使用校验码来纠正错误，从而减少了所需合成dna的数量，但是在dna序列的约束条件方面，只能保证满足均聚物小于等于三，不能保证gc含量在40％～60％之间。hedges方法和dbgps方法可以减少存储时所需合成的dna数量，并且能够在不需要副本的情况下解决部分错误，但是仍然有部分错误需要使用多条序列才能纠正。

技术实现思路

1、本发明为解决编码密度低、兼容性与还原度较差的技术问题，进而提供了一种用于dna存储的图像编解码方法、系统、设备及可存储介质。

2、本发明涉及一种图像数据dna存储的编解码方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、将需要编码的图像转化为二进制数据串，拆分为子串后，按序为其进行二进制编号，拼接编号与二进制子串，得到组合数据串；

4、步骤s2、建立二进制串与碱基序列的映射表，将组合数据串进行碱基转换，得到碱基序列；

5、步骤s3、将所述碱基序列添加校验信息并重复，得到冗余碱基序列，添加新的引物并进行dna合成，得到dna存储数据；

6、进一步地，步骤s1中，获取所需编码的图像，从rgb空间转到yuv空间，然后对图像实施小波变换，将图像转化为二进制数据串。

7、进一步地，步骤s2中，枚举所有满足gc含量和均聚物长度要求的碱基序列，建立二进制串与碱基序列的映射表，将组合数据串切割成与二进制串长度相同的多个子串，使用所述映射表将二进制子串进行碱基转换，并对得到的碱基序列进行拼接，得到转换后的碱基序列。

8、进一步地，包括如下纠错步骤：

9、步骤s4、对碱基序列进行错误检测；如果检测到错误，开始纠错；如果没有错误，返回正确序列；

10、步骤s5、设置最大错误数量和类型；如果检测到插入或删除错误，枚举可能发生的情况并记录，使用纠错算法进行纠错，得到正确的序列并返回；

11、步骤s6、使用经过检错与纠错得到的序列，得到还原图像；对还原图像进行修复与增强，得到最终图像。

12、进一步地，步骤s4中，如果序列的长度与编码时设置的长度相等，并且切分，切分的份数与步骤s3中碱基序列添加校验信息后的重复次数相同，所有子串完全相同，认为没有发生错误，否则认为发生错误。

13、进一步地，步骤s5中，如果序列的长度小于编码时设置的长度，则认为发生了删除错误，枚举所有可能的删除位置，对每一种可能的情况，在对应位置插入可能的碱基；如果序列的长度大于编码时设置的长度，则认为发生了插入错误，枚举所有可能的插入位置，对每一种可能的情况，删除这一位置的碱基；如果长度没有发生变化，不进行修改；生成所有可能的情况，并记录，然后使用动态规划算法实现纠错，得到正确的碱基序列并返回。

14、进一步地，步骤s6中，对于经过检错与纠错得到的碱基序列，使用编码时设置的映射表，转换为二进制串，根据二进制串中的编号，对二进制串排序得到还原图像，对还原图像使用插值或深度学习等方式进行恢复与增强，得到最终图像。

15、本发明还涉及一种图像数据dna存储的编解码系统，应用上述的图像数据dna存储的编解码方法。

16、本发明还涉及一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

17、本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

18、有益效果

19、本发明的用于dna存储的图像编解码方法，在编码前先压缩数据，可以提高编码密度，还可以根据实际数据与对还原数据的要求，在压缩比和还原质量之间进行平衡。通过本发明方法生成的dna序列，同时满足gc含量在40％～60％之间和均聚物长度不大于n的要求，兼容性好。

20、dna存储中发生的错误类型主要有插入、删除和替换三种，现有的方法有的只能解决其中一种或两种错误同时存在的情况，有的可以解决三种错误同时存在的情况，但是需要大量副本或者使用多条序列，而本发明只需要一条序列就可以实现极高的纠错率，并且即使这条序列解码失败，也不会影响到其他序列的纠错与解码，有较高的还原度。

技术特征：

1.一种图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，步骤s1中，获取所需编码的图像，从rgb空间转到yuv空间，然后对图像实施小波变换，将图像转化为二进制数据串。

3.根据权利要求1所述的图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，步骤s2中，枚举所有满足gc含量和均聚物长度要求的碱基序列，建立二进制串与碱基序列的映射表，将组合数据串切割成与二进制串长度相同的多个子串，使用所述映射表将二进制子串进行碱基转换，并对得到的碱基序列进行拼接，得到转换后的碱基序列。

4.根据权利要求1所述的图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，包括如下纠错步骤：

5.根据权利要求1所述的图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，步骤s4中，如果序列的长度与编码时设置的长度相等，并且切分，切分的份数与步骤s3中碱基序列添加校验信息后的重复次数相同，所有子串完全相同，认为没有发生错误，否则认为发生错误。

6.根据权利要求1所述的图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，步骤s5中，如果序列的长度小于编码时设置的长度，则认为发生了删除错误，枚举所有可能的删除位置，对每一种可能的情况，在对应位置插入可能的碱基；如果序列的长度大于编码时设置的长度，则认为发生了插入错误，枚举所有可能的插入位置，对每一种可能的情况，删除这一位置的碱基；如果长度没有发生变化，不进行修改；生成所有可能的情况，并记录，然后使用动态规划算法实现纠错，得到正确的碱基序列并返回。

7.根据权利要求1所述的图像数据dna存储的编解码方法，其特征在于，步骤s6中，对于经过检错与纠错得到的序列，使用编码时设置的映射表，转换为二进制串，根据二进制串中的编号，对二进制串排序得到还原图像，对还原图像使用插值或深度学习等方式进行恢复与增强，得到最终图像。

8.一种图像数据dna存储的编解码系统，其特征在于，应用上述权利要求1至7任一项所述的方法。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项的方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种图像数据DNA存储的编解码方法，包括如下步骤：步骤S1、将需要编码的图像转化为二进制数据串，拆分为子串后，按序为其进行二进制编号，拼接编号与二进制子串，得到组合数据串；步骤S2、建立二进制串与碱基序列的映射表后，将组合数据串进行碱基转换，得到碱基序列；步骤S3、将所述碱基序列添加校验信息并重复，得到冗余碱基序列，添加新的引物并进行DNA合成，得到DNA存储数据。本发明的用于DNA存储的图像编解码方法，在编码前先压缩数据，可以提高编码密度，还可以根据实际数据与对还原数据的要求，在压缩比和还原质量之间进行平衡。

技术研发人员：柏园超,秦辰,赵文博,赵逸凡,刘贤明
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17